杨树-小麦林网系统光量变化特征的研究

段 伟， 王保平， 乔 杰， 王炜炜， 杨海清， 于森淼， 崔令军， 杨鑫钰

(1.国家林业局泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003;2.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008；3.河北农业大学现代科技学院，河北 保定 071000；4.河北省隆化县林业局，河北 承德 068150)



杨树-小麦林网系统光量变化特征的研究

段 伟1， 王保平1， 乔 杰1， 王炜炜1， 杨海清2， 于森淼3， 崔令军1， 杨鑫钰4

(1.国家林业局泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003;2.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008；3.河北农业大学现代科技学院，河北 保定 071000；4.河北省隆化县林业局，河北 承德 068150)

以杨树-小麦复合生态系统为研究对象，于2010―2012年对不同林龄杨树林网内11个测点在小麦不同生长阶段光量分布和透光率变化进行定位观测。结果表明，在小麦生长的各个时期，光合有效辐射随着离林带距离的增加逐渐增大。与对照相比，离林带15 m范围内各测点光合有效辐射显著降低，而15 m外的各测点则无显著变化。随杨树林龄的增加，15 m范围内各测点透光率显著降低，15 m范围外各测点透光率则无显著变化。当d/h(测点离林带的距离与林带树高的比值)为0.1、0.5和1.0时，其透光率分别为41.95%、74.97%和93.00%，受遮荫率则分别为58.05%、25.03%和7.00%。采用理查德方程可有效拟合各测点透光率与其d/h值之间的关系，据此可预测林网内不同位点的透光率。

杨树-小麦林网；光量分布；透光率

杨树林网作为中国农林复合经营系统的典型模式之一，已在中国不同地区的复合农林生态系统中得到广泛应用[1,2]。在复合农林生态系统中，围绕组成复合农林系统各植物种群间相互作用机理以及各植物种群对水分、光照、养分等自然资源的合理利用，是决定其结构配置的理论基础[3]。诸多学者结合中国复合农林生态系统的基本特征，以复合农林生态系统的物种结构、时空结构以及营养结构为出发点，开展了大量的研究[4-6]。其中时空结构又包括时间结构与空间结构，时间结构主要是指复合生态系统中各植物种群生长发育与环境资源协调吻合的状况。在复合农林生态系统中，可以通过不同的配置模式，来提高物质和能量的转化率，从而实现提高生态系统的生产力和经济效益[7,8]。由于复合农林生态系统中各植物种群间存在多方面的竞争，尤其林网对林下作物的遮阴影响导致作物减产，生长不良等各种问题。固需从多方面对复合农林生态系统的结构配置进行优化，当前在中国平原地区分布着大面积的杨树林网，存在诸如杨树-玉米，杨树-小麦等多种复合农林配置模式，但仍遇到作物减产严重、生产缺乏指导等问题，所以开展复合农林生态系统技术措施方面的研究，对生产实践具有重要的指导意义。相关学者对中国不同地区桐麦间作系统、杨粮间作系统等复合生态系统的水分利用、碳贮量、能量平衡、林木遮阴面积与株行距之间的关系、农田林网的防护效益以及改善小气候特征进行了详细的研究[9-17]，而对不同生长阶段林网对作物光合有效辐射以及透光率的影响方面的报道较少。本研究以豫中平原广泛分布的杨树-小麦林网系统为研究对象，对该复合农林生态系统中杨树对小麦不同生长阶段的光合有效辐射和透光率进行定位观测，旨在为农田林网的优化配置以及评价复合农林生态系统的时间结构提供依据。

1 研究区概况

研究地点位于河南省长葛市董天龙村(34.19°N,114.01°E)，属暖温带大陆性季风气候，总面积为179.8 hm2，年均气温为14.6 ℃，年均降雨量为691.6 mm，年均无霜期为214 d。日照时数年均2 422.5 h，日照百分率为54%。四季气温的高低、降水的时空分布差异很大。其地貌特征以平原为主，土壤类型为平原黄泛冲积物发育的潮土，较为肥沃，水资源充足。杨树林网品种为欧美107杨，造林时间为2004年春。

2 材料与方法

2.1 定位观测点的布设

选择典型网格320 m×640 m，分1路2行(林带南面)，其余3面均为1路3行林带，于2010—2012年(杨树林网林龄分别为7、8和9 a)，分别将仪器架设在距南北林带320 m处的东、西边2边，各测点距东、西林带分别为1.5、7.5、15、39、54 m处，并在林网内160 m处设置对照点。分别记为W1、W2、W3、W4、W5、CK、E1、E2、E3、E4、E5，共计11个观测点。2010年试验开始前，对样地内50 m范围内杨树林带按每木检尺法，调查林木的胸径、高度、活枝下高、冠幅，以后每年深秋杨树林网停止生长时对其指标进行测定。

2.2 数据采集

本研究采用美国CAMPBELL公司研制生产的AG-1000数据采集系统。所设11个样点中每个样点设置1个传感器，其中光量子传感器高度为3 m，传感器均1 min记录1组数据，在林网系统内160 m处设置对照,记为CK。对不同树龄杨树林网内，小麦作物不同生长期光照度进行测定分析。为避免其他因素干扰，特将1 min光照度整合为日光量。

日光量处理方法：将仪器搜集11个测点1 min的数据整合为10 min,10 min转化为1 h，最后整合为天，求出11个测点的东、西每天光照度的平均值，并记为A1、A2、A3、A4、A5。计算公式为

日光量=(日测点光照度3 600)/1 000 000

(1)

透光率=100-〔(对照点光量-各测点光量)/对照点光量〕

(2)

林网与光合有效辐射的关系采用理查德方程进行拟合，具体表示为：

y=A〔1-Bexp(-kx)〕1/(1-m)

(3)

式中：A为最大透光率；b为决定x=0时的透光率大小；k与透光率变化速度有关；m决定模拟函数的类型；x为测点离林带距离与林带树高的比值。

2.3 数据分析

采用SAS 9.2中的ANOVA模块分析不同林龄杨树林网对各测点透光率的影响，相关数据采用平均值±标准差(Mean±SD)来表示，同一因素不同水平间差异显著性采用最小显著差数法(LSD)进行检验(显著性水平P<0.05)，采用Sigmaplot11.0软件绘图。

3 结果与分析

3.1 不同林龄杨树林网对小麦不同生长阶段光量分布特征的影响

3.1.1 杨树林网对小麦抽穗期光量及全光率分布特征的影响 不同林龄杨树林网对小麦抽穗期光量分布的影响特征如图1所示，同一林龄不同带距光合有效辐射随林带距离的增加显著增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1(带距1.5 m)、A2(带距7.5 m)与A3之间(带距15 m)差异显著(P<0.05)，而A3、A4(带距39 m)、与A5(带距54 m)之间差异不显著(P>0.05)，但A3显著低于CK(带距160 m)，而CK与A4和A5之间差异不显著(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间差异显著(P<0.05)，A4、A5与CK之间无显著差异(P>0.05)，但3者显著高于A1、A2和A3(P<0.05)。2012年，A1、A2与A3之间差异显著(P<0.05)，A4显著低于A5但显著高于A1、A2和A3(P<0.05)，而A5与CK之间无显著差异(P>0.05)。总之与CK相比，2010年各点光量分别下降43.09%、18.62%、6.36%、3.61%和2.67%。2011年各点光量分别下降58.22%、34.43%、13.81%、4.29%和1.78%。2012年各点光量分别下降69.22%、33.85%、18.26%、6.16%和3.23%。

图1 不同林龄杨树林网对小麦抽穗期光量分布的影响Fig.1 Effect of different stand age poplar shelterbelts on light intensity distribution of wheat at heading stage

注：不同大写字母表示相同带距不同林龄之间差异显著，不同小写字母表示同一林龄不同带距之间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different uppercase letters indicate significant difference in different stand ages, different lowercase letters indicate significant difference in different distance (P<0.05), the same as below.

不同林龄杨树林网对小麦抽穗期透光率的影响如图2所示，同一林龄不同带距透光率随林带距离的增加逐渐增加，且不同林龄同一带距之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，而A3与其余各个测点之间透光率无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且3者均显著低于A4、A5与CK(P<0.05)，而A4、A5与CK之间透光率差异不显著(P>0.05)。2012年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且三测点显著低于A4、A5和CK(P<0.05)，而A4、A5与CK之间无显著差异(P>0.05)。与2010年相比，2012年各测点透光率依次减小46.50%、19.13%、12.75%、2.68%和0.62%。

图2 不同林龄杨树林网对小麦抽穗期透光率的影响Fig.2 Effect of different stand age poplar shelterbelts transmittance of wheat at heading stage

3.1.2 杨树林网对小麦开花期光量及全光率分布特征的影响 不同林龄杨树林网对小麦开花期光量分布的影响如图3所示，同一林龄不同带距光合有效辐射随林带距离的增加显著增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。2010年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，A3、A4与A5之间无显著差异(P>0.05)，但A3显著低于CK(P<0.05)，而A4、A5与CK之间差异不显著(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，且3者显著低于A4、A5与CK(P<0.05)，而A4、A5与CK之间无显著差异(P>0.05)。2012年，A1、A2、A3与A4之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，A4显著低于A5且与CK无显著差异(P>0.05)，而A5与CK之间差异亦不显著(P>0.05)。具体来说，较之CK，2010年各点光量分别下降45.91%、22.02%、4.13%、2.52%和1.77%。2011年各点光量分别下降61.90%、34.90%、13.87%、5.88%和2.47%。2012年各点光量分别下降70.67%、34.65%、18.80%、5.87%和2.48%。

图3 不同林龄杨树林网对小麦开花期光量分布的影响

不同林龄杨树林网对小麦开花期透光率的影响如图4所示，同一林龄不同带距透光率随林带距离的增加逐渐增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，而A3与其余各个测点之间透光率无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且3者均显著低于CK(P<0.05)，而A3、A4与A5之间无显著差异(P>0.05)。2012年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且三测点显著低于A4、A5和CK(P<0.05)，后3者之间透光率无显著差异(P>0.05)。与2010年相比，2012年各测点透光率依次减小45.89%、20.58%、15.34%、3.48%和0.85%。

图4 不同林龄杨树林网对小麦开花期透光率的影响

3.1.3 杨树林网对小麦灌浆期光量及全光率分布特征的影响 不同林龄杨树林网对小麦灌浆期光量分布的影响如图5所示，同一林龄不同带距光合有效辐射随林带距离的增加显著增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。2010年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，A4、A5与CK之间无显著差异(P>0.05)，但显著高于A1、A2和A3(P<0.05)。2011年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，且3者显著低于A4、A5与CK(P<0.05)，而A4与A5之间无显著差异(P>0.05)，但A4显著低于CK，而A5和CK之间无显著差异。2012年，各测点光合有效辐射变化特征与2011年相同。具体来说，较之CK，2010年各点光量分别下降48.58%、17.88%、4.33%、1.66%和1.18%。2011年各点光量分别下降61.29%、34.02%、14.46%、4.48%和1.87%。2012年各点光量分别下降70.39%、34.42%、18.40%、6.47%和2.70%。

图5 不同林龄杨树林网对小麦灌浆期光量分布的影响

不同林龄杨树林网对小麦灌浆期透光率的影响如图6所示，同一林龄不同带距透光率随林带距离的增加逐渐增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，而A3与其余各个测点之间透光率无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且3者均显著低于A3、A4与A5(P<0.05)，而A3、A4与A5之间无显著差异(P>0.05)。2012年各测点透光率变化与2011年一致。与2010年相比，2012年各测点透光率依次减小42.43%、19.94%、14.64%、4.80%和1.64%。

图6 不同林龄杨树林网对小麦灌浆期透光率的影响

3.1.4 杨树林网对小麦成熟期光量及全光率分布特征的影响 不同林龄杨树林网对小麦成熟期光量分布的影响如图7所示，同一林龄不同带距光合有效辐射随林带距离的增加显著增加，且同一带距不同林龄之间表现并不一致。

图7 不同林龄杨树林网对小麦成熟期光量分布特征的影响

方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，A3与A4之间差异不显著(P>0.05)，但显著低于A5和CK，而A5和CK之间亦无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2、A3和A4之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，且显著低于A5与CK(P<0.05)，A5与CK之间无显著差异(P>0.05)。2012年，A1、A2、A3和A4之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，而A4与A5之间无显著差异(P>0.05)，A5与CK之间亦无显著差异(P>0.05)。具体来说，较之CK，2010年各点光量分别下降52.52%、20.76%、4.41%、2.68%和0.82%。2011年各点光量分别下降62.99%、34.31%、13.62%、4.40%和1.41%。2012年各点光量分别下降71.75%、35.05%、19.14%、7.31%和2.87%。

不同林龄杨树林网对小麦成熟期透光率的影响如图8所示，同一林龄不同带距透光率随林带距离的增加逐渐增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，而A3与其余各个测点之间透光率无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且3者均显著低于A3、A4与A5(P<0.05)，而A3、A4与A5之间无显著差异(P>0.05)。2012年各测点透光率变化与2011年一致。与2010年相比，2012年各测点透光率依次减小40.37%、18.16%、15.48%、4.69%和1.90%。

图8 不同林龄杨树林网对小麦成熟期透光率的影响

3.1.5 杨树林网对小麦成熟后期光量及全光率分布特征的影响 不同林龄杨树林网对小麦成熟后期光量分布的影响如图9所示，同一林龄不同带距光合有效辐射随林带距离的增加显著增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1、A2与A3之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，A3与A4之间差异不显著(P>0.05)，但显著低于A5和CK(P<0.05)，而A5和CK之间亦无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2、A3和A4之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，且显著低于CK(P<0.05)，A4与A5之间无显著差异(P>0.05)。2012年，A1、A2、A3和A4之间光合有效辐射差异显著(P<0.05)，且显著低于A5与CK(P<0.05)，而A5与CK之间亦无显著差异(P>0.05)。具体来说，较之CK，2010年各点光量分别下降47.53%、18.58%、4.79%、2.43%和1.56%。2011年各点光量分别下降60.87%、34.29%、14.09%、4.30%和1.75%。2012年各点光量分别下降70.38%、34.43%、18.54%、6.42%和2.80%。

图9 不同林龄杨树林网对小麦成熟后期光量分布特征的影响

不同林龄杨树林网对小麦成熟后期透光率的影响如图10所示，同一林龄不同带距透光率随林带距离的增加逐渐增加，且同一带距不同林龄之间表现不同。方差分析表明，2010年，A1，A2 2点的透光率显著低于A3(P<0.05)，而A3与其余各个测点之间透光率无显著差异(P>0.05)。2011年，A1、A2与A3之间透光率差异显著(P<0.05)，且3者均显著低于A3、A4与A5(P<0.05)，而A3、A4与A5之间无显著差异(P>0.05)。2012年各测点透光率变化与2011年一致。与2010年相比，2012年各测点透光率依次减小43.68%、19.58%、14.47%、4.11%和1.22%。

3.2 杨树林网系统透光率与测点位置的关系

结合2010—2012年杨树林网系统内不同距离范围小麦透光性的定位观测结果，以透光率为响应变量(Y)，以距离和树高之比(d/h)为解释变量，利用式(1)对2者间的关系进行模拟，发现模型测算结果与实测结果拟合较好，如图11所示，其A=100，b=5.236 4×10-5，k=2.758 9，m=1，复相关数R=0.972 1，拟合显著性F=2 600.053 8。

透光率决定着复合农林系统内的光照条件。通过利用理查德方程进行模拟，可以看出模拟值与实测值可以很好的拟合。当距离和树高之比为0.1时，系统内的透光率为41.95%，遮荫幅度为58.05%；当距离和树高比为0.5时，系统内测光率为74.97%，测点处受遮荫率为25.03%；当距离和树高之比为1时，系统内测光率为93.00%，测点处受遮荫率仅为7.00%。随着距离和树高比的增大，系统内的透光率逐渐增大，充裕的光照条件保证了作物的产量。综合分析，距离林带15 m为受遮阴的范围。

图10 不同林龄杨树林网对小麦成熟后期透光率的影响

图11 小麦生长季透光率与测点位置的关系

4 结论与讨论

光照是维系作物生长的决定性因素之一，作物生长过程中的光照条件与透光率密切相关，而林带对农田的遮阴程度受林龄、林冠结构等因子的影响。通过对豫中平原杨树-小麦林网系统光量空间变化特征进行研究，结果表明，小麦生长的各个时期，随带距的增加，光合有效辐射量在15 m内变化幅度较大，15 m内各测点光合有效辐射和透光率受林木的遮荫影响较大,主要是由于随着树木的生长于冠幅的增加，减少了到达林木下层的光照时间。带距大于15 m，光合有效辐射量增加缓慢，这也说明了林网对距离林带近的光合有效辐射有影响，而对中心区域基本没有影响。

较之2010年，2012年小麦生长的各个时期，各测点透光率分别呈现出不同程度的降低，这说明随林龄的增加，林冠截留了大量的光合辐射，进而导致透光率的下降，当距离和树高之比为0.1、0.5和1时，系统内的透光率分别为41.95%、74.97%和93.00%，受遮荫率则分别为58.05%、25.03%和7.00%。随着距离和树高比值的增大，系统内的透光率逐渐增大。这也说明，从林带基部远离林带系统内透光率逐渐增大，到林网中间处，透光率达到最大，离林带距离越近的测点受遮荫影响较大，距离林带15 m为受遮荫范围。这也与相关学者在其他地区对中型林网胁地效应的研究结果一致[18]。

光合有效辐射是影响作物生长的关键因子之一，本研究对豫中平原杨树-小麦林网系统不同带距光合有效辐射和透光率特征进行了研究,并对小麦不同生长阶段的光合有效辐射和透光率变化进行了分析，建立了光量分布与距离和树高比的拟合方程，由于防护林网对作物的遮荫程度还受诸如叶面积指数等因子的影响，林带遮阴截获了光量，通过建立数学模型能够准确地预测系统内各点的遮阴变化和光量分布情况，因此为了能够提高复合农林系统光能利用效率，充分利用光能，合理配置农田林网，提高作物产量，建立数学模型预测林网对作物的影响是未来复合农林学的重要研究方向。

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(责任编辑：梁保松)

Characteristics of light intensity in poplar-wheat forest network system

DUAN Wei1， WANG Baoping1, QIAO jie1， WANG Weiwei1， YANG Haiqing2，YU Senmiao3， CUI Lingjun1, YANG Xinyu4

(1.Paulownia Research and Development Centre of CAF, Zhengzhou 450003, China; 2.Henan Academy of Forestry,Zhengzhou 450008, China;3.Department of Modern Science and Technology, Agricultural University of Hebei , Baoding 071000, China;4.Longhua County Bureau of Forestry, Chengde 068150, China)

Poplar-wheat agroforestry system was used as the research object. During 2010-2012, the photosynthetic active radiation and light transmittance of 11 measuring point at different stage of wheat growth were analyzed, in order to reveal the influence of Poplar forest network on the light intensity to the cropland. The result showed that with the increase of the distance from wheat to tree, the photosynthetic active radiation exhibited the increasing trend at different growth stages. Compared with the control, the photosynthetic active radiation presented significant decreasing trend at the measuring point in the range of 15 meters tree-wheat distance, and no significant changes were detected while the measuring point was beyond 15 meters. With the increasing of the increase of stand age, the light transmittance showed significant decreasing trend in the range of 15 meters tree-wheat distance, however, non-significant trend existed when the tree-wheat distance was more than 15 meters. When dh(the distance and tree height ratio) was 0.1, 0.5, 1.0, the light transmittance was respectively 41.95%, 74.97% and 93.00%, and the shading rate was 58.05%,25.03% and 7.00%, respectively. The ratio of light intensity with distance and height could fit well by the Richard equation, thus it could predict the scope of different light transmittance.

poplar-wheat forest network; light intensity distribution; transmittance

1000-2340(2015)01-0039-07

2014-09-11

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD38B02)

段 伟(1975-)，男，河南禹州人，工程师，主要从事农林复合生态方面的研究。

王保平(1965-)，男，河南新野人，研究员。

S 718.5

A